地震力作用下單排與雙排樁支擋結構性狀試驗對比分析

康景文, 劉昌清, 鄧夷明, 王君紅, 胡建宗

(1. 中國建筑西南勘察設計研究院有限公司, 四川 成都 610051;2. 西南交通大學土木學院, 四川 成都 610031)

0 引言

汶川地震是繼唐山大地震之后我國又一個毀滅性地震,重災區內幾乎所有山體斜坡發生了不同程度的滑移甚至垮塌,給生產活動帶來了嚴重的影響和危害。由半埋式單樁或兩樁及其之間擋土板組成的樁板式支擋結構作為治理邊坡的有效工程措施占有重要的地位。其利用樁身嵌固段的嵌固作用維護擋土結構的穩定以及補償地基強度的不足,能夠迅速、安全、經濟地解決一些較困難的工程問題[1-2]。

針對地震作用下樁板墻的樁-土相互作用問題,本文以實際工程為背景,選取樁板支擋結構邊坡原型橫斷面作為參考(由于受條件限制,除模型箱按幾何相似比1∶20設計外,土體材料參數和地震時間壓縮比均未完全按相應的相似比設計),通過振動臺模型試驗,分析邊坡土體的動力特性、樁板墻支擋結構及邊坡在地震過程中產生的破壞形式、土-結構相互作用力與結構位移關系以及單排樁、雙排樁板結構應力分布差異等,研究地震力作用下邊坡支擋結構受力、位移特征及其變化規律,以期為以后類似工程的科研、設計及施工等提供參考。

1 振動臺模型試驗

模擬地震效應的振動臺作為地震工程研究中的一種強有力的工具,可以確定工程結構的動力特性及其在地震力作用下的破壞機理,從而可以完善抗震設計理論及方法。

本次試驗的振動臺尺寸為6 m×6 m,水平最大位移為±150 mm、垂直最大位移為±100 mm,水平最大加速度為1g、垂直最大加速度為0.8g,頻率范圍為0.1～80 Hz。

1.1 試驗模型設計

(1) 鋼板+型鋼+有機玻璃制作封閉式剛性模型箱(圖1),內空尺寸為3.7 m×1.5 m×2.1 m(長×寬×高)。

(2) 選用邊坡土體為黏土、石膏和標準石英砂按不同比例配制,測得相關性能參數見表1。

(3) 前排樁1 m (高)×0.15 m(長)×0.1 m (寬)和后排樁1.25 m(高)×0.15 m(長)×0.1 m (寬);測試樁為兩塊鋼板加兩塊2 cm厚PVC板(中間留有土壓力計孔位)鉚接而成(圖2),非測試樁采用槽鋼對焊;5根樁的間距為0.3 m,擋土板為2.5 cm厚木板。

圖1 模型箱示意圖Fig.1 Diagram of model casing

表1 滑體、滑床土體材料性能參數

圖2 測試樁示意圖Fig.2 Diagram of testing pile

1.2 試驗類型及量測

圖3為單排樁板結構模型,樁嵌固段為樁長的50%,測試中間部位樁,沿樁身布置6個土壓力傳感器量測不同深度位置的土壓力;樁頂和樁前坡腳處各設一個位移傳感器,樁頂安裝加速度傳感器;為減小振動波反射,在振動方向的填土前、后壁均內襯50 mm厚泡沫板墊層;樁后坡體內等距離安裝4個加速度計;模型箱底部安裝1個加速度計量測輸入振動臺的實際加速度。

圖4為雙排樁板結構模型,試驗儀器布置與單排樁板結構模型試驗儀器布置基本一致。

圖3 單排樁板結構試驗模型和測試儀器布置圖Fig.3 Test model and instrument arrangement ofsingle-row pile-plank structure

圖4 雙排樁板結構模型尺寸及測試儀器布置圖Fig.4 Test model and instrument arrangement ofdouble-row pile-plank structure

1.3 試驗加載

試驗采用經壓縮過的實測汶川地震波,按相似律進行相似處理后依次輸入,方向為X(水平)、Z(豎直)雙向輸入。試驗輸入加速度峰值0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.7g、0.9g地震波實時采集不同波次加載后的數據,以Xgxz對應,其中Xg為地震加速度峰值,x、z分別為加速度輸入方向。

2 試驗結果分析

2.1 單排樁試驗分析

(1) 樁后土動壓力、總土壓力

土動壓力分布沿樁身從上到下為反S形分布(圖5)。懸臂段各振次地震力作用下土動壓力從1.44 kPa增至42.94 kPa,較0.1gx狀態下土動壓力增幅95.83%～2 881.95%;嵌固段各振次地震力作用下土動壓力從2.73 kPa增至65.66 kPa,較0.1gx狀態下土動壓力增加67.4%～2 305.12%。

圖5 單排樁樁后土動壓力Fig.5 Dynamic pressure of soil behind single-row pile

總土壓力沿樁身從上到下為也呈反S形分布(圖6)。懸臂段各振次地震力作用下總動土壓力從4.02 kPa增至67.42 kPa,較靜力狀態下總土壓力增幅51%～1 577.11%。嵌固段各振次地震力作用下的總動土壓力從4.19 kPa增至115.14 kPa,較靜力狀態下總土壓力增加了95.47%～2 647.97%。

圖6 單排樁樁后土總壓力Fig.6 Total pressure of soil behind single-row pile

(2) 樁前土動壓力、總土壓力

樁前土動壓力沿樁身中部從上到下為倒三角形分布(圖7)。各加速度峰值地震力作用下從6.16 kPa增至89.64 kPa,較0.1gx狀態下土動壓力增加45.78%～1 355.2%。

圖7 單排樁樁前土動壓力Fig.7 Dynamic pressure of soil before single-row pile

總土壓力沿樁身中部從上到下為倒三角形分布(圖8)。懸臂段各振次地震力作用下總動土壓力從6.06 kPa增至139.52 kPa,較靜力狀態下總土壓力增加127.4%～2 202.31%。

圖8 單排樁樁前總土壓力Fig.8 Total pressure of soil before single-row pile

(3) 樁后土體加速度

通過對樁后0.45 m、1.5 m處的土體實測加速度峰值進行比較分析土體對地震波的放大效應。

①樁后0.45 m土體加速度分布。除了0.7gxz、0.9gxz兩個振次外,其他各個振次加速度峰值曲線近似呈線性分布(圖9),且均隨著高度增加而增加。0.1gx～0.5gxz振次中水平加速度峰值增加速率分別為0.58～18.57。0.7gxz、0.9gxz振次滑面下0.265 m、滑面、滑面上0.265 m處水平加速度峰值增加趨勢明顯,滑面上0.265 m和0.530 m處加速度接近,說明上部土體出現整體滑動。

圖9 樁后0.45 m土體水平加速度峰值分布圖Fig.9 Peak horizontal acceleration of soil at 0.45 m depth

② 樁后1.5 m土體加速度分布。0.1gx～0.3gxz三個振次土體水平加速度峰值均隨著高度增加而增加且近似呈線性(圖10),增加速率為0.84～5.07;0.4gxz、0.5gxz兩個振次中,滑移面處土體豎直加速度峰值發生突變,說明此處滑體和滑床間發生了較大的相對滑移,其增加速率為12.58、20.72;0.7gxz振次的加速度峰值與0.5gxz振次的加速度峰值變化相似;0.9gxz振次滑面處的加速度峰值比0.4gxz～0.7gxz三個振次的值小,說明土體前期的滑移已很充分;從滑面向上的三個點處的土體加速度峰值相近可以看出,坡體發生了較大的整體滑移。

圖10 樁后1.5 m土體水平加速度峰值分布圖Fig.10 Peak horizontal acceleration of soil at 1.5 m depth

(4) 樁頂位移

七個振次下樁頂位移分別為0.45、1.23、2.85、5.26、10.55、17.35、28.67(單位:mm),見圖11。根據《鐵路路基支擋結構設計規范》(TB10025-2006)[3]:“樁板墻頂位移應小于樁懸臂段長度1/100且不宜大于10 cm”及工程經驗判斷,按抗彎等效計算樁頂位移20 cm時已處于破壞狀態。

加速度峰值0.4g的地震力作用下樁頂位移5.26 mm,折算實際位移為10.52 cm,已達到極限狀態;加速度峰值0.5g的地震力作用下樁頂位移10.55 mm,折算實際位移為21.10 cm,已發生破壞;加速度峰值0.9g的地震力作用下樁頂位移28.67 mm,折算實際位移為57.34 cm,已發生嚴重破壞(圖12和圖13)。

圖11 不同振次下的樁頂位移圖Fig.11 Displacement at pile top under different vibration cycles

圖12 0.5gxz振次破壞示意圖Fig.12 Failure photograph at 0.5gxz

圖13 0.9gxz振次破壞示意圖Fig.13 Failure photograph at 0.9gxz

2.2 雙排樁試驗結果

(1) 后排樁土動壓力、總土壓力

①樁前。樁后土動壓力沿樁身分布見圖14。懸臂段各加速度峰值地震力作用下的土壓力從1.02 kPa增至24.75 kPa,較0.1gx狀態下土動壓力增加79.41%～2 326.47%;嵌固段各加速度峰值地震力作用下的土動壓力從1.57 kPa增至49.98 kPa,較0.1gx狀態下土動壓力增加59.87%～3 083.44%。

圖14 后排樁樁后土動壓力Fig.14 Dynamic pressure of soil behind back-row pile

靜力狀態下和小于0.5gxz振次下的樁后總土壓力沿樁身分布見圖16。各加速度峰值地震力作用下的總土壓力從3.01 kPa增至36.38 kPa,較靜力狀態下總土壓力增加40.53%～1 108.64%;嵌固段各加速度峰值地震力作用下的總土壓力分別從3.17 kPa增至77.29 kPa,較靜力狀態下總土壓力增加了107.89%～2 338.17%。

圖15 后排樁樁后總土壓力Fig.15 Total pressure of soil behind back-row pile

②樁后。樁前土動壓力在從樁頂到-0.425 m之間均較小,但在嵌固段處(-0.625 m處)土壓力突然變大,從-0.625 m處往下土壓力迅速減小(圖17)。各振次土壓力從1.83 kPa增至69.59 kPa,較0.1gx狀態下土動壓力增加43.17%～3 702.73%。

樁前總土壓力在從樁頂到-0.425 m之間均較小,但在嵌固段處(-0.625 m處)土壓力突然變大,從-0.625 m處往下土壓力迅速減小,近似呈倒三角形分布(圖17)。各振次的總土壓力從4.14 kPa增至127.35 kPa,較靜力狀態下總土壓力增加115.94%～2 976.09%。

圖16 后排樁樁前土動壓力Fig.16 Dynamic pressure of soil before back-row pile

圖17 后排樁樁前總土壓力Fig.17 Total pressure of soil before back-row pile

(2) 前排樁總土壓力、土動壓力

①樁后。如圖18,懸臂段各加速度峰值地震力作用下的土壓力從1.23 kPa增至25.88 kPa,較0.1gx狀態下土壓力增加48.78%～2 004.07%;嵌固段在峰值地震力作用下為1.05～39.36 kPa,較0.1gx狀態下土動壓力分別增加了100.95%～3 648.57%。

圖18 前排樁樁后土動壓力Fig.18 Dynamic pressure of soil behind front-row pile

從圖19可見,懸臂段靜力和加速度峰值地震力作用下的總土壓力從1.99 kPa增至43.72 kPa,較靜力狀態下總土壓力增加116.58%～2 096.98%;嵌固段各振次地震力作用下的總土壓力較靜力狀態下總土壓力分別增加了259.22%～6 660.20%。

圖19 前排樁樁后總土壓力Fig.19 Total pressure of soil behind front-row pile

②樁前。與單排樁類似,樁前土動壓力從上到下呈倒三角形分布(圖20),其加速度峰值地震力作用下為2.34～69.67 kPa;各振次地震力作用下的土動壓力較0.1gx狀態下土動壓力增加了184.62%～2 877.35%。

圖20 前排樁樁前土動壓力Fig.20 Dynamic pressure of soil before front-row pile

與單排樁類似,樁前總土壓力從上到下呈倒三角形分布(圖21),各加速度峰值地震力作用下為3.84～95.57 kPa,較靜力狀態下總土壓力分別增加了117.71%～2 388.80%。

圖21 后排樁樁前總土壓力Fig.21 Total pressure of soil before front-row pile

(3) 樁后土體加速度

通過對前排樁樁后0.45 m和1.5 m處土體的實測加速度峰值進行比較,分析土體對于地震波的放大效應。

① 前排樁樁后0.45 m土體加速度分布

除了0.1gx振次中滑面處的水平加速度峰值略小于滑面下0.265 m處的水平加速度峰值之外,其他振次中的水平加速度峰值均隨著高度增加而增大。0.1gx、0.2gx兩個振次的水平加速度峰值曲線近似呈線性分布(圖22),其增加速率分別為0.40、0.82;0.3gxz、0.4gxz兩個振次中滑面處的加速度均發生不同程度的突變,滑面下0.265 m和滑面上0.265 m的水平加速度峰值增加速率分別為3.48、5.70;0.5gxz振次中,土體水平加速度峰值增加速率為11.40;0.7gxz、0.9gxz兩個振次,加速度峰值增加速率也較0.1gx～0.5gxz五個振次增加很大,滑面處的土體加速度峰值較大說明土體在地震力作用下滑面處土體發生較大的滑動。

圖22 前排樁樁后0.45 m土體水平加速度峰值分布圖Fig.22 Distribution of peak horizontal acceleration of soil at 0.45 m behind the front-row pile

② 前排樁樁后1.5 m土體加速度分布

0.1gx～0.5gxz振次中的土體水平加速度峰值均隨高度增加而增加,其增加速率為0.57～11.15,且呈隨震級提高而急劇增大趨勢(圖23)。0.1gx、0.2gx、0.3gxz三個振次的水平加速度峰值曲線近似呈線性,而0.4gxz、0.5gxz兩個振次中,其水平加速度峰值增加速率越來越大;0.7gxz、0.9gxz兩個振次,加速度峰值雖未出現隨著高度增加而增加的趨勢,但是滑面處土體加速度峰值較大,說明土體發生了較大的相對滑動。

圖23 前排樁樁后1.5 m土體水平加速度峰值分布圖Fig.23 Distribution of peak horizontal acceleration of soil at 1.5 m behind the front-row pile

(4) 樁頂位移

由圖24可見,在加速度峰值為0.5g的地震力作用下,前排樁樁頂發生位移5.57 mm,折算實際工程位移為11.14 cm,已處于極限狀態;而后排樁在加速度峰值為0.7g的地震力作用下,樁頂發生位移6.75 mm,折算實際工程位移為13.50 cm,達到了極限狀態。后、前排樁在加速度峰值達到0.9g時,兩者樁頂位移分別為13.42 mm和10.73 mm,折算實際工程位移為26.84 cm、21.46 cm,達到破壞狀態(圖25、圖26)。

圖24 后、前排樁樁頂位移Fig.24 Displacement at the top of front and back piles

3 單排樁、雙排樁試驗對比分析

鑒于邊坡工程抗震設計中對0.7gxz、0.9gxz兩個振次地震力涉及很少,因此對其不做比較。

3.1 樁后土動壓力、總土壓力對比

(1)樁后土動壓力

兩個模型各點的土壓力均呈反S形分布(表2)。懸臂段的最大土壓力出現在-0.34 m處,約為懸臂段長度的2/3處;嵌固段的最大土壓力出現在接近樁底的-0.98 m處。

圖25 0.5gxz振次樁頂位移形態Fig.25 Displacement of pile top at 0.5gxz

圖26 0.9gxz振次樁頂位移形態Fig.26 Displacement of pile top at 0.9gxz

表2 單排樁、雙排樁前樁樁后土動壓力對比表

對比單排樁、雙排樁前樁樁后-0.34 m處和-0.98 m處的土動壓力,0.1gx～0.5gxz地震力作用下單排樁與雙排樁前樁樁后-0.34 m處的土動壓力比值分別為1.40、1.54、1.69、1.88、1.88,單排樁約為雙排樁前樁的1.5～2倍;單排樁與雙排樁前樁樁后-0.98 m處的土動壓力比值為2.60、2.17、2.02、2.16、2.08,單排樁樁后約為雙排樁前樁的土動壓力的2～3倍。

(2) 樁后總土壓力

兩個模型各點的土壓力均呈反S形分布(參見表3)。懸臂段的最大土壓力出現在-0.34 m處,約為懸臂段長度的2/3處;嵌固段的最大土壓力出現在接近樁底的-0.98 m處。

對比單排樁、雙排樁前樁樁后-0.34 m處和-0.98 m處的總土壓力,靜力狀態和加速度峰值為0.1gx～0.5gxz地震力作用下,單排樁與雙排樁前樁樁后-0.34 m處的總土壓力比值分別為2.02、1.41、1.50、1.43、1.47、1.54,單排樁樁約為雙排樁前樁的1.5～2倍;單排樁與雙排樁前樁樁后-0.98 m處的總土壓力比值分別為3.07、2.21、2.02、1.94、2.02、1.95,單排樁樁約為雙排樁的總土壓力的2～3倍。

表3 單排樁、雙排樁前樁樁后總土壓力對比表

3.2 樁前土動壓力、總土壓力對比

(1) 樁前土動壓力

兩個模型的樁前土動壓力均呈倒三角形分布(表4),最大土壓力也出現在樁前-0.66 m處。

對比單排樁、雙排樁前樁樁前-0.66 m處的土動壓力,可以發現加速度峰值為0.1gx～0.5gxz地震力作用下,單排樁與雙排樁前樁樁前-0.66 m處的土動壓力比值分別為2.63、1.35、1.15、1.16、1.21,單排樁約為雙排樁前樁樁前土動壓力的1.7～2倍。

表4 單排樁、雙排樁前樁樁前土動壓力對比表Table 4 Comparison between dynamic pressure of soil before the single-row pile and the front pile in double row震次

(2) 樁前總土壓力

兩個模型的樁前總土壓力均呈倒三角形分布(表5),最大土壓力出現在樁前-0.66 m處。對比單排樁、雙排樁前樁樁前-0.66 m處的總土壓力,可以發現靜力狀態和加速度峰值為0.1gx～0.5gxz地震力作用下,單排樁與雙排樁前樁樁前-0.66 m處的總土壓力比值分別為1.58、1.64、1.31、1.26、1.23、1.29,單排樁約為雙排樁前樁樁前總土壓力的1.2～1.6倍。

表5 單排樁、雙排樁前樁樁前總土壓力對比表

3.3 樁后土體加速度對比

(1)單排樁、雙排樁前樁后0.45 m土體水平加速度峰值對比

兩個結構各個振次的水平加速度峰值均隨著高度增加而逐漸增大(表6),且都呈現隨著震級增加,峰值增速也相應急劇增加的趨勢。除在0.3gxz振次下,單排樁的滑面處土體加速度峰值比雙排樁同樣位置處小之外,其余振次雙排樁土體水平加速度峰值增速比單排樁土體水平加速度峰值增速要小。

表6 單排樁、雙排樁前樁后0.45 m土體水平加速度峰值對比表

(2) 單排樁、雙排樁前樁后1.5 m水平加速度峰值對比

兩個結構各振次的水平加速度峰值均隨著高度增加而逐漸增大(表7)且單排樁、雙排樁板都呈現隨著震級增加,峰值增速也相應急劇增加的趨勢。雙排樁土體水平加速度峰值比單排樁相同振次下相同位置處的土體水平加速度峰值小,而且相同振次下,雙排樁土體水平加速度峰值增速比土體水平加速度峰值增速也要小。

3.4 樁頂位移對比

從0.1gx～0.5gxz五個振次下的單排樁、雙排樁樁頂位移(圖27)可見,單排樁在加速度峰值為0.4g地震力作用下樁頂發生位移5.26 mm,折算實際工程位移為10.52 cm,達到極限狀態;在加速度峰值為0.5g地震力作用下樁頂發生位移10.55 mm,折算實際工程位移為21.10 cm,已發生破壞;雙排樁在加速度峰值為0.5g的地震力作用下前排樁樁頂才發生位移5.57 mm,折算實際工程位移為11.14 cm,達到極限狀態,前排樁樁頂發生位移3.78 mm還遠未達到極限狀態。

表7 單排樁、雙排樁前樁后1.5 m水平加速度峰值對比表

圖27 單排樁、雙排樁樁頂位移Fig.27 Displacement at the top of single-row anddouble-row piles

4 結論

本文利用振動臺模型試驗對單排樁、雙排樁板結構在靜力狀態和加速度峰值分別為0.1gx、0.2gx、0.3gxz、0.4gxz、0.5gxz、0.7gxz、0.9gxz的地震力作用下樁身受力、位移及土體加速度測試及對比分析,得到主要結論如下:

(1) 單排樁、雙排樁板結構受力性狀類似,樁前土動壓力、總土壓力均為倒三角形分布,土壓力隨位置下降而急劇減小,均為反S形分布,懸臂段最大土壓力出現在從上到下的2/3高度處,嵌固段最大土壓力出現在樁底處。

(2) 單排樁后-0.34 m處的土動壓力、總土壓力約為雙排樁前樁樁后對應部位的1.5～2倍;單排樁樁前-0.66 m處的土動壓力約為雙排樁前樁樁前對應部位的1.7～2倍,總土壓力約的1.2～1.6倍;單排樁樁后-0.98 m處的土動壓力、總土壓力約為雙排樁前樁樁后對應部位的2～3倍。

(3) 單排樁、雙排樁土體加速度峰值均隨著高度增加而增加,且震級越大增加速率越大;雙排樁板中的土體加速度峰值比單排樁相同振次下相同位置處的土體加速度峰值要小。

(4) 雙排樁后樁和雙排樁前樁的樁后受力之和在加速度峰值分別為0.1gx～0.5gxz地震力作用下約為單排樁的樁后受力的1.2倍,說明雙排樁狀態后樁對前樁有一定的影響。

(5) 單排樁在加速度峰值為0.5g的地震力作用下達到破壞狀態,雙排樁板前排樁達到極限狀態;在加速度峰值為0.9g的地震力作用下雙排樁前排樁達到破壞狀態,后排樁在加速度峰值為0.7g的地震力作用下達到極限狀態,說明雙排樁結構的支擋效果明顯優于單排樁板結構。